玉米毛狀根再生植株氮高效利用生理機制初探

徐洪偉+杜豐平+張鑫+史宏偉+周曉馥

摘要： 以玉米毛狀根再生植株為材料，探究玉米毛狀根再生植株氮高效利用生理機制。采用水培試驗設(shè)計，對六葉期植株根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)、葉片氮含量、SPAD值及光合作用特性進(jìn)行測定。結(jié)果表明，毛狀根再生植株根系形態(tài)指標(biāo)、固氮能力、SPAD值以及光合作用參數(shù)明顯高于對照組。毛狀根再生植株的根系發(fā)達(dá)，促進(jìn)了生長環(huán)境中氮營養(yǎng)元素吸收，提高了植株的氮利用效率，進(jìn)而提高了植株光合能力。本試驗為玉米氮高效利用生理機制研究提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 玉米；毛狀根再生植株；氮肥固定效率；高效利用；光合特性；生理機制

中圖分類號： S513.06 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）22-0064-03

良好的根系形態(tài)有利于提高玉米對水分以及營養(yǎng)的吸收與積累。氮是作物必需的大量營養(yǎng)元素之一，不僅是蛋白質(zhì)合成的主要成分，還是葉綠素、植物激素等的重要組成成分[1]。 玉米葉片的生長與氮的吸收之間有著顯著的關(guān)系，氮能夠影響玉米葉片的生長及光合作用能力，缺氮能夠抑制植物的生長速率和作物質(zhì)量[2-3]。因此，高效的氮吸收對作物的生長有著重要的影響[4]。光合作用直接受葉片氮含量的影響，葉片光合作用速率是判斷和分析作物生長以及營養(yǎng)狀況的重要指標(biāo)[5]。前人研究發(fā)現(xiàn)，RuBPcase酶是植物光合作用的關(guān)鍵酶，Makino等在對玉米和水稻氮高效利用的研究中發(fā)現(xiàn)植株葉片氮含量與RuBPcase酶有著重要關(guān)系[6]。

毛狀根再生植株是通過發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)的基因?qū)χ参矬w進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化后獲得的，毛狀根再生植株在形態(tài)學(xué)上表現(xiàn)根系發(fā)達(dá)，側(cè)根增多[7]。徐洪偉等發(fā)現(xiàn)在水分脅迫下，毛狀根再生植株的根系形態(tài)指標(biāo)較對照組顯著提高[8]。徐洪偉等通過研究玉米毛狀根再生植株在水分脅迫下的生理指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，玉米毛狀根再生植株的光合速率、蒸騰速率、細(xì)胞間隙CO2濃度、氣孔導(dǎo)度均高于對照組[9]。

本研究采用筆者所在實驗室具有自主知識產(chǎn)權(quán)的玉米毛狀根再生植株為材料，以吉單35自交系為對照，對玉米毛狀根再生植株六葉期葉片氮元素含量、SPAD值、凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（E）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、細(xì)胞間隙CO2濃度（Ci）、水分利用效率（WUE）、水蒸氣壓虧缺（VPD）、根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)（植株總根長、總投影面積、總表面積、平均根系直徑、總根體積、根尖數(shù)、分支數(shù)、交叉數(shù)）進(jìn)行測定，為提高玉米氮肥固定效率、研究玉米氮高效機制提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 植物材料

毛狀根再生植株：筆者所在實驗室具有自主知識產(chǎn)權(quán)的玉米毛狀根再生植株（ 發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)的吉單35轉(zhuǎn)化株）[7]。對照組：吉單35自交系，吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院惠贈。

1.1.2 培養(yǎng)液組成

Hoagland營養(yǎng)液組成：K2SO4 0.75 mmol/L，KH2PO4 0.25 mmol/L，MgSO4·7H2O 0.65 mmol/L，EDTA-Na-Fe 0.1 mmol/L，H3BO3 1.0×10-2 mmol/L，MnSO4·H2O 1.0×10-3 mmol/L，ZnSO4·7H2O 1.0×10-3 mmol/L，CuSO4·5H2O 1.0×10-4 mmol/L，（NH4）6Mo7O24·4H2O 5.0×10-6 mmol/L。

1.1.3 主要儀器設(shè)備

CIRAS-3便攜式光合熒光測定儀，KN580全自動凱氏定氮儀，根系分析系統(tǒng)WinRhizo 2012b，TYS-A葉綠素測定儀等。

1.2 試驗方法

采用水培試驗設(shè)計，選擇大小均勻一致的玉米種子，2%次氯酸鈉消毒 10 min后用去離子水沖洗3次，后轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)箱中催芽，待種子露白后于室溫下暗室培養(yǎng)。兩葉一心時精選生長狀態(tài)相似的幼苗，去胚乳，移至pH值5.6±0.1的營養(yǎng)液中培養(yǎng)。毛狀根再生植株和對照組每個品種12棵，營養(yǎng)液用電動氣泵連續(xù)通氣，每4 d更換1次營養(yǎng)液。營養(yǎng)中NO3-濃度控制為2.0 mmol/L，試驗中所需氮以Ca（NO3）2·4H2O供給。使玉米植株在適量氮條件下生長，待玉米植株生長到六葉期時進(jìn)行葉片氮元素含量、SPAD值、凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（E）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、細(xì)胞間隙CO2濃度（Ci）、水分利用效率（WUE）、水蒸氣壓虧缺（VPD）、根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)測定，3次重復(fù)。

1.3 毛狀根植株根系分析

用剪刀從軸根基部將軸根剪下，然后將根系置于根盤內(nèi)，利用WinRhizo根系分析系統(tǒng)進(jìn)行掃描，將獲得的圖像經(jīng)WinRhizo 2012b分析程序進(jìn)行分析，得到總根長、根體積、總根投影面積等根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.4 葉片氮含量測定

葉片氮含量測定采用凱式定氮法。選取玉米六葉期葉片，用脫脂棉擦拭干凈，在液氮下研磨，粉碎。稱取0.2 g樣品，分別加入硫酸銅、硫酸鉀，在濃硫酸的條件下400 ℃消煮，再用凱式定氮儀測定。

1.5 葉片SPAD值測定

葉片SPAD值采用葉綠素測定儀測量，選取玉米六葉期葉片，去除表面灰塵，每個植株測3次，取平均值。

1.6 葉片光合作用特性測定

采用CIRAS-3便攜式光合測定系統(tǒng)在光照良好的上午10：00—11：00對植株葉片光合速率進(jìn)行測定，光照強度為 1 200 μmol/（m2·s）時，選取3個點對植株第6張葉進(jìn)行測定，測定了植株凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（E）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、細(xì)胞間隙CO2濃度（Ci）、水分利用效率（WUE）以及水蒸氣壓虧缺（VPD）。

1.7 試驗數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用SAS軟件進(jìn)行分析后用Excel軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 毛狀根再生植株根系分析

剪取毛狀根植株及對照組25 d根系，掃描后結(jié)果如圖1所示，與對照組相比，毛狀根植株側(cè)根和根毛明顯增多。

經(jīng)分析程序（WinRhizo 2012b）分析處理得到根系數(shù)據(jù)，從表1可以看出，玉米毛狀根再生植株的根系指標(biāo)均高于對照組，與對照組相比，總根長、總投影面積、總根表面積、平均根系直徑、總根體積顯著增大，根尖數(shù)、分枝數(shù)、交叉數(shù)顯著增多。毛狀根再生植株總根長提高了21%，總投影面積提高了6%，總根表面積提高了10%，平均根系直徑提高了14%，總根體積提高了21%，根尖數(shù)提高了60%，分枝數(shù)提高了159%，交叉數(shù)提高了233%，差異顯著。

2.2 葉片氮含量與SPAD值分析

植株葉片中的氮含量與葉綠素含量有關(guān)，氮是葉綠素的重要組成部分。通過凱氏定氮法對毛狀根再生植株第6張葉氮含量進(jìn)行測定，結(jié)果如圖2所示，與對照組相比，毛狀根再生植株的第6張葉的氮含量提高了1.03百分點，SPAD值提高了6.2。

2.3 光合速率參數(shù)分析

對六葉期玉米植株進(jìn)行了光合作用參數(shù)測定，從表2可以看出，玉米毛狀根再生植株的凈光合速率與對照組相比提高了29%，蒸騰速率與對照組相比提高了44%，氣孔導(dǎo)度與對照組相比提高了32%，細(xì)胞間隙CO2濃度與對照組相比提高了5%，水分利用效率與對照組相比提高了14%，水蒸氣壓虧缺與對照組相比提高了9%。毛狀根再生植株的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、水分利用效率、水蒸汽壓虧缺與對照

[FK（W11][TPXHW2.tif]

組相比差異顯著。

3 結(jié)論與討論

3.1 玉米毛狀根再生植株根系形態(tài)與氮素吸收的關(guān)系

米國華等在對玉米氮高效生物學(xué)特征論述中指出，氮高效基因型玉米根系生長發(fā)育能力強，促進(jìn)氮素的獲取[10]。史正軍等在水稻氮高效的形態(tài)學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，氮高效水稻品種根系總長、表面積等與普通水稻相比差異明顯[11]，即良好的根系形態(tài)是玉米氮高效的重要特征。本研究結(jié)果表明，玉米毛狀根再生植株形態(tài)學(xué)指標(biāo)均高于對照組，其中根尖數(shù)提高了60%，分支數(shù)提高了159%，交叉數(shù)提高了233%，玉米毛狀

根再生植株具有發(fā)達(dá)的根系，增強了植株對氮的吸收能力。通過凱氏定氮法測定了玉米毛狀根再生植株葉片氮含量，與對照組相比提高了1.03百分點。由于氮素從根部運輸?shù)叫螒B(tài)學(xué)上端，因此玉米毛狀根再生植株根系發(fā)達(dá)的優(yōu)勢促進(jìn)了植株對氮素的吸收。

3.2 玉米毛狀根再生植株氮吸收與光合作用的關(guān)系

高等綠色植物體內(nèi)的氮參與了葉綠素的合成以及光合作用的調(diào)控[12-13]。SPAD值是衡量葉片氮含量和葉綠素含量的指標(biāo)值[14-15]。戢林對氮高效基因型水稻的研究表明，氮高效水稻葉片的葉綠素含量明顯高于對照，SPAD值與葉片氮含量呈正相關(guān)[16]。本研究中玉米毛狀根再生植株的葉片氮含量提高了1.03百分點、SPAD值提高了6.2，表明葉片中氮及葉綠素含量增加。張艾英等研究發(fā)現(xiàn)，春谷蒸騰速率與凈光合速率隨著施氮量增加而上升[17]。Paponov等研究氮高效基因型玉米發(fā)現(xiàn)，氮高效玉米葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度均大于對照[18]。本研究結(jié)果顯示，玉米毛狀根再生植株凈光合速率較對照提高29%，氣孔導(dǎo)度提高33%，蒸騰速率提高44%，表明氮高效基因型玉米的根系構(gòu)型與植株氮吸收及光合特性有著密切聯(lián)系，因為毛狀根再生植株具有根系優(yōu)勢，所以植株對氮素的利用率提高，葉片氮含量以及SPAD值增加，植株葉片同化作用提升，植株光合速率增大。本研究為玉米氮高效利用生理機制研究提供了重要理論依據(jù)。

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